Foldasi e chaperon molecolari

In vivo il ripiegamento delle proteine necessita di un macchinario di folding mediato da foldasi e chaperon molecolari. Le foldasi aumentano la velocità del processo di ripiegamento e tra queste troviamo: la disolfuro isomerasi, un enzima che catalizza reazioni di interscambio di ponti disolfuro nelle proteine. Essa catalizza la rottura e la riformazione casuale di ponti disolfuro continuamente fino a che la proteina non raggiunge la conformazione più favorevole. Quindi questo enzima è in grado di riconoscere e correggere anche i ponti disolfuro non corretti. Un'altra foldasi è la peptidil prolil isomerasi, un enzima che converte tutti i legami della prolina cis in trans (la prolina è l'unico amminoacido in cui la stabilità delle configurazioni cis e trans sono simili (nel folding si riconoscono due fasi una fase veloce, formazione del globulo fuso, e una fase lenta, conversione cis-trans). I chaperon molecolari (accompagnatori), invece, rappresentano una famiglia di proteine che sembra essere essenziale per il corretto ripiegamento di alcune catene polipeptidiche in vivo, per la loro organizzazione in oligomeri e per impedire interazioni inappropriate con altre durante la loro sintesi. I chaperon molecolari intervengono sia in condizioni normali sia in condizioni di stress. Le loro caratteristiche comunque sono:
intervengono a concentrazioni stechiometriche (1 proteina : 1 chaperon molecolare);
hanno attività ATPasiche: si legano alle proteine non ripiegate e usano l'energia di idrolisi dell'ATP per staccarsi dal bersaglio;
sono codificati da geni costitutivi (sempre espressi) e da geni inducibili (geni indotti);
Le funzioni dei chaperon molecolari risultano essere, invece:
assicurano il raggiungimento e il mantenimento del corretto stato conformazionale delle catene polipeptidiche appena sintetizzate;
dirigono l'assemblaggio di complessi multienzimatici;
intervengono nella creazione o nel mantenimento di un stato parzialmente di unfolding delle proteine, favorendone così il trasporto attraverso le membrane dei mitocondri o dei plastidi;
stabilizzano le proteine danneggiate formatosi a seguito di stress chimici o fisici, facilitandone la degradazione o la loro rinaturazione;
impediscono le aggregazioni degli stati intermedi del folding.
I chaperon molecolari si dividono in: (1) chaperon veri e propri e in (2) chaperonine. Queste due molecole hanno sequenza genica, dimensioni, struttura e meccanismi d'azione differenti ma ruoli simili. Le principali classi di chaperon sono la Hsp70 e le Hsp90. Sono chiamate Hsp (Hot schock proteins) perché sono state rilevate durante studi di denaturazione delle proteine mediante calore. Invece il numero che segue questa cifra indica il peso molecolare espresso in kD. Le proteine Hsp70 si legano alle catene polipeptidiche nascenti mentre ancora sono legate ai ribosomi. Esse riconoscono quelle regioni polipeptidiche distese ed esposte che sono ricche di residui idrofobici. Le Hsp70, legandosi a queste regioni, prevengono le associazioni non corrette e mantengono il polipeptide in uno stato non ripiegato fino al momento in cui possono realizzarsi le interazioni per un corretto ripiegamento. Il completamento di quest'ultimo richiede il rilascio della proteina Hsp70 che necessita energia ed è guidato dall'idrolisi di ATP. Comunque la proteina Hsp70, nota come DnaK in Escherichia Coli, è costituita da due domini funzionali: (1) un dominio carbossi-terminale (COOH) contenente il sito di legame per il polipeptide (substrato); (2) un dominio ammino-terminale (NH2) contenente il sito di legame per ATP/ADP (per via dell'attività ATPasica. In generale, DnaK coopera con DnaJ (una Hsp40 che facilita l'idrolisi dell'ATP) e GrpE (che facilita il distacco di ADP o AMP) nel formare un sistema chaperone ATP-dipendente coinvolto nei processi cellulari.
Le chaperonine, invece, sono chaperon molecolari di classe II implicate anch'esse nel corretto folding delle proteine. Queste sequestrano le catene non ripiegate all'interno di un ambiente protetto, e sono una volta raggiunta la giusta conformazione le catene ripiegate verranno rilasciate. Le proteine chaperon appartenenti alla classe Hsp60 sono delle chaperonine. Più subunità di Hsp60 sono organizzate a formare due anelli delimitanti una cavità centrale. Comunque, le Hsp60 facilitano il ripiegamento di proteine nascenti e si legano ai substrati che non hanno una conformazione corretta. Tutte le chaperonine, in generale, hanno una struttura caratterizzata da due anelli. Ciascun anello è costituito da più subunità (circa 7 subunità) e ciascuna subunità (con una propria struttura terziaria) ha tre domini: uno apicale, rivolto verso l'alto e costituito da 2 foglietti β uniti a 2 α-eliche, uno intermedio, costituito da 3 α-eliche e uno equatoriale, costituito da α-eliche La principale chaperonina in Escherichia coli è il complesso GROEL-GROES. Groel è organizzato in due anelli sovrapposti di sette subunità ciascuno e presenta una cavità centrale dove vi è il sito di ripiegamento ATP-dipendente della proteina. Groes, invece, consiste di sette subunità organizzate in un singolo anello che si dispone a cupola su Groel. Sulla superficie di questa cavità centrale si svolgono molti cicli e ciascuno comprende il legame della proteina da ripiegare, l'idrolisi dell'ATP, il rilascio della proteina, mentre le tappe del ripiegamento avvengono nei brevi intervalli in cui la proteina è libera dalla superficie della cavità. Non appena la proteina ha completato definitivamente il processo di ripiegamento viene rilasciata da Groel.